《三國演義》細述了曹操大軍到來之時，黃忠爭功被圍，趙雲勇救黃忠的經過。當夜大將黃忠和副將張著偷過漢水，直到北山之下，看見糧草堆積如山。黃忠教馬軍一齊下馬，取柴堆於米糧之上，放火燒糧。魏軍發現後，張郃、徐晃、文聘引兵趕到，與黃忠、張著混戰一處，二人不得脫身。
趙雲在營中，看看等到午時，不見黃忠按照約定返回，急忙披掛上馬，引三千軍向前接應。臨行，趙雲告訴張翼一定要堅守營寨。兩壁廂多設弓弩，以為準備。趙雲挺槍驟馬直殺往前去。至北山附近，迎頭一將攔路，是曹將文聘部將慕容烈，拍馬舞刀來迎趙雲，被趙雲手起一槍刺死。曹兵敗走。趙雲直殺人重圍，又一支兵截住。為首是魏將焦炳。趙雲喝問道“蜀兵何在？”焦炳回答“已殺盡矣！”趙雲大怒，驟馬一槍，又刺死焦炳。趙雲率兵殺散曹軍，直至北山之下，見張郃、徐晃兩人圍住黃忠，軍士被困多時。趙雲大喝一聲，挺槍驟馬，殺人重圍，左衝右突，如人無人之境。那槍渾身上下，若舞梨花；遍體紛紛，如飄瑞雪。張郃、徐晃心驚膽戰，不敢迎敵。趙雲救出黃忠，且戰且走；所到之處，無人敢阻。曹操於高處望見，驚問眾將道“將何可人也？曹操說：“此乃常山趙子龍也。曹操大定漢中趙雲智用空營計嚇退曹軍驚說：“昔日當陽長阪英雄尚在！”急傳令道：“所到之處，不許輕敵。”趙雲救了黃忠，殺透重圍，有軍士指曰“東南上圍的，必是副將張著。”雲不回本寨，遂望東南殺來。所到之處，但見“常山趙雲”四字旗號，曾在當陽長阪知其勇者，互相傳說，盡皆逃竄。趙雲又救了張著。曹操見趙雲東衝西突，所向無前，莫敢迎敵，救了黃忠，又救了張著，憤然大怒，自領左右將士來趕趙雲。趙雲已殺回本寨。部將張翼接著，望見後麵塵土揚起，知是曹兵追來，即告訴趙雲說“追兵漸近，可令軍士閉上寨門，上敵樓防護。”趙雲喝道：“休閉寨門！你豈不知我昔在當陽長阪時，單槍匹馬，視曹兵八十三萬如草芥!今有軍有將，又何懼哉！”遂撥弓弩手於寨外壕中埋伏；將營內旗槍，盡皆放倒，金鼓不鳴。趙雲匹馬單槍，立於營門之外。卻說張郃、徐晃領兵追至蜀寨，天色已暮；見寨中偃旗息鼓，又見趙雲匹馬單槍，立於營外，寨門大開，二將不敢前進。正疑之間，曹操親到，急催督眾軍向前。眾軍聽令，大喊一聲，殺奔營前；見趙雲全然不動，曹兵恐懼，翻身就回。趙雲把槍一招，壕中弓弩齊發。時天色昏黑，正不知蜀兵多少。操先撥回馬走。隻聽得後麵喊聲大震，鼓角齊鳴，蜀兵一齊追來。曹兵自相踐踏，擁到漢水河邊，落水死者，不知其數。趙雲、黃忠、張著各引兵一支，追殺甚急。曹操正奔走間，忽劉封、孟達率兵從米倉山路殺來，放火燒了糧草。曹操棄了北山糧草，忙回南鄭。徐晃、張郃紮腳不住，亦棄本寨而走。趙雲占了曹寨，黃忠奪了糧草，漢水所得軍器無數，大獲全勝。黃忠差人去報劉備。劉備遂同孔明前至漢水，問趙雲部卒：“子龍如何廝殺？”軍士將子龍救黃忠、拒漢水之事，細述一遍。劉備大喜，看了山前山後險峻之路，欣然告訴諸葛亮說：“子龍一身都是膽也！”後人有詩讚曰“昔日戰長阪，威風猶未減。突陣顯英雄，被圍施勇敢。鬼哭與神號，天驚並地慘。常山趙子龍，一身都是膽！”於是劉備稱子龍為虎威將軍，大勞將士，歡宴至晚。
這段故事，在《雲別傳》中有詳細記載：“曹公爭漢中地，運米北山下，數千萬囊。黃忠以為可取，雲兵隨忠取米。忠過期不還，雲將數十騎輕行出圍，迎視忠等。值曹公揚兵大出，雲為公前鋒所擊，方戰，其大眾至，勢逼，遂前突其陳，且鬥且卻。公軍敗，已複合，雲陷敵，還趨圍。將張著被創，雲複馳馬還營迎著。公軍追至圍，此時沔陽長張翼在雲圍內，翼欲閉門拒守，而雲人營，更大開門，偃旗息鼓。公軍疑雲有伏兵，引去。雲雷鼓震天，惟以戎弩於後射公軍，公軍驚駭，自相蹂踐，墮漢水中死者甚多”。這一仗，趙雲麵對魏軍千軍萬馬，馬踏曹營，毫無懼色，一杆大槍靜如梨花，動若飄雪，刺死慕容烈和焦炳，救出了老將黃忠和副將張著，以虛擊實，變不利為有利，反敗為勝，嚇退千萬曹軍。軍史當中，趙雲巧用空營計，真是無出其右者，傳為千古美談。現在勉縣定軍山鎮的左所村、右所村就是當年趙雲軍隊的左大營、右大營，有證可考。而天蕩山山坳現在有一座“天燈寺”，寺廟之前有一塊巨石，相傳是黃忠得勝回營後的踏腳石。《三國誌˙諸葛亮傳》記載：先主外出，亮留守成都，足食足兵。諸葛亮主要任務是恢複和發展生產，穩定後方，支援前線，主要任務應該不在軍事指揮方麵。
“空營計”是一種“虛而虛之”的謀略。兵法雲：虛而虛之，疑中生疑；剛柔之際，奇而複奇。本來兵力空虛，而示之於敵，使敵人反而誤認為我暗中作了準備。敵我力量懸殊情況下采用此計，更顯奇妙。孫子曰：“敵不得與我戰者，乘其所之也。”杜牧曰：“言敵來攻我，我不與戰，設權變以疑之，使敵人疑惑不決，與初來之心乖戾，不敢與我戰也。”在強敵麵前，利用假象來迷惑和欺騙對手，指揮官沒有天大的勇氣和膽量，是絕不敢冒此風險的。《資治通鑒》卷第六十八（漢紀六十）曰：倉促之間，遭遇強敵，尚敢“前突其陳”，子龍不愧“虎威”之號。以疑兵、空城大破數倍於彼之敵，雖古之名將，有幾人可及？而部下軍士訓練有素，趙雲禦之如臂使指，雖遇強敵而軍不稍亂，子龍不僅文武雙全，更治兵有道，雖不及文遠威震逍遙津，以帥才稱之，卻也不為過。古人對於趙雲空營計這種驚天地、泣鬼神之傑作，大加讚揚。
劉備堅壁清野，高掛免戰牌，固守不戰，兩軍相持一個多月，曹軍戰不能勝，攻又不能克，陷人進不能攻，退不能守的困境之中。關中至漢中，道路崎嶇漫長，糧草輜重難以接濟，士兵厭戰，將帥疲憊，逃亡日益增多。夏五月，漢中雨季來臨，曹軍終因軍糧無以為續，三軍銳氣墮盡，不得不撤出漢中戰場，一直逃回長安。這是曹操赤壁之戰後又一次大的失敗，從此軍閥混戰的局麵被三分天下的態勢所取代。